FY-3近红外与热红外资料大气柱水汽总量反演对比

大气水汽含量信息对卫星图像辐射校正、大气微物理过程理解、降水预报等具有重要意义。分别利用FY-3A中分辨率成像光谱仪(MERSI)近红外和扫描辐射计(VIRR)热红外通道反演大气柱水汽总量,并将反演结果与地面探空站观测值进行比对分析,结果表明:(1)MERSI反演值与观测值的相关系数为0.763,而VIRR反演值与观测值的相关性较差,相关系数为0.169;从水汽含量的反演精度看,MERSI(RMSE=1.109g/cm~2)高于VIRR(RMSE=1.894g/cm~2);(2)MERSI三通道水汽反演精度比17、18、19通道(RMSE分别为1.133、1.424和1.827g/cm~2)高,主要原因是3个水汽通道对水汽敏感性不同,综合利用3个通道反演大气柱水汽含量可达到取长补短的效果。     

区域MODIS水汽季节修正模型

针对MODIS水汽空间分辨率高但精度不高的不足,提出了一种利用GNSS的MODIS水汽校正模型。MODIS水汽校正模型通过GNSS水汽和线性回归方法分季节构建。通过GNSS水汽与MODIS水汽的相关性分析比较,利用线性回归方法分季节构建区域和城市MODIS水汽校正模型,通过与GNSS水汽比较验证区域和城市模型的可靠性。研究结果表明,GNSS水汽与MODIS水汽的变化趋势基本一致,存在显著正相关特性;经检验3个测站的城市和区域,冬季模型均方根误差优于1 mm,春、秋季均方根误差接近,约为2 mm,夏季城市模型均方根误差最大,值为6.58 mm。区域模型有效提高MODIS水汽精度,可为短时天气预报提供基础。     

地表温度遥感中大气平均作用温度估算模型研究

大气平均作用温度Ta是地表温度遥感单窗算法中一个关键的参数,利用2008~2011年全国123个探空站点资料,针对大气水汽量的垂直分布特征,分析了利用近地层气温T0估算大气有效平均温度的可行性;进一步分析了T0和Ta之间的相关性,建立了适合我国地区大气平均温度估算的最佳模型Ta=44.97098+0.80512 T0,模型的决定系数R²为0.859,均方根误差为4.198 K。通过对44幅HJ\|1B/IRS热红外图像地温反演的敏感性分析,结果表明:模型估算的Ta用于地表温度反演时的误差为1.734 K;当大气透射率τ很小时,模型估算的Ta误差对地温反演很敏感,较小的估算误差会给地温反演带来很大的误差;随着大气透射率τ的增加,Ta的估算误差对地温反演的敏感性逐渐降低。
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应用MIPAS/ENVISAT卫星遥感资料研究平流层爆发性增温过程中大气化学成分变化特征

2002年12月~2003年1月北半球高纬地区平流层发生了一次爆发性增温过程（SSW）,使该地区的动力、热力场和大气化学成分的分布发生剧烈变化。选取了搭载在欧洲环境探测卫星ENVISAT上的对地遥感观测仪器麦克耳逊干涉被动大气探测仪（MIPAS）的观测数据,首先利用臭氧探空资料和再分析气象资料对MIPAS观测的臭氧和温度廓线资料进行了对比验证;其次使用该资料对此次SSW过程进行了研究。对比结果显示,MIPAS资料与NCEP和臭氧探空资料都有较好的一致性。在这次平流层爆发性增温事件中,增温过程随时间向下传播影响到平流层下层。N₂O和CH₄的水平和垂直浓度分布与位涡反映的极涡始终都有很好的一致性。O₃和H₂O的浓度分布也受到极涡的限制,O₃体积混合比随增温而增大,有极涡外的O₃进入极涡。NO₂并未受到极涡分布的严格限制,在极区维持低浓度区。HNO₃浓度场在极区显示为极大值,但并不与极涡对应。     

陆地资源卫星数据地表温度反演

针对目前陆地资源卫星(Landsat-8)地表温度反演过程中,地表比辐射率估计和敏感度分析中存在的不足,对这两方面进行改进,提出了一种基于Landsat-8数据的地表温度反演算法。该文主要从劈窗算法的推导、参数的估计、敏感度分析等方面进行研究。对于大气透过率的计算,首先用与其有相邻过境时间的MODIS数据反演大气水汽含量,然后通过中分辨率的大气传输模型(Moderate Resolution Atmospheric Transmission,MODTRAN)模拟大气水汽含量与透过率的关系,最后得到大气透过率。对于发射率的计算,通过分类和ASTER提供的光谱库获得。将大气辐射传输方程模拟的地表温度与此劈窗算法反演的地表温度做比较,结果表明平均精度达到0.82K。最后研究了大气水汽含量对地表温度的影响。结果显示,当大气水汽含量误差为0.1g/cm2,其对温度反演精度的影响最大不超过0.3K;当大气水汽含量的反演误差较大的时候,其对温度反演精度的影响较大。     

高光谱数据反演大气水汽研究

利用Hyperion高光谱数据,基于MODTRAN辐射传输模型进行模拟,分析表明943nm和953nm波段分别对干燥和湿润大气最敏感,是反演水汽的合适通道。提出针对Hyperion数据DCIBR方法反演大气总水汽含量,可以推广到环境与灾害监测预报小卫星星座超光谱数据的大气水汽反演。误差分析表明,大气散射作用以及地表反射率非线性变化,对DCIBR方法计算精度的影响比CIBR算法要小,大气模式引起的反演误差小于2%,通道的光谱特性是影响反演精度的重要因素。     

星载微波辐射计对玉树地震岩石破裂辐射异常的初步检测

实验发现岩石挤压破裂会在特定微波频段辐射能量增强。根据星载微波辐射计AMSR\|E 2003年至2010年4月中上旬8 a的辐射亮度温度(T^_b)数据,提出辐射异常指数RAI,检测地震岩石挤压破裂产生的微波能量辐射异常。利用大气辐射传输模型,分析地表物理温度和大气水汽含量等变化对于检测RAI的影响。对2010年4月12日(2010年4月14日玉树地震发生前两日)的T_b数据作RAI分析,RAI异常的检测区域与地震主断裂带分布有明显的空间相关性。     

基于分组分裂窗算法的MTSAT-1R地表温度反演

以黑河流域上游和中游为研究区,针对MTSAT-1R卫星数据,运用MODTRAN 4.0及晴空状态下的TIGR大气廓线数据,发展了根据地表比辐射率、大气水汽含量、传感器观测角度分组模拟的分裂窗算法,进行地表温度反演。分析了传感器噪声、地表比辐射率和大气水汽含量3个参数对该算法的影响,并结合模拟数据、地面观测数据及MODIS地表温度产品,对反演结果进行分析评价。结果表明:当传感器垂直观测或大气水汽含量小于2.5g/cm2时,反演精度在1K以内;反演结果与地面观测数据对比差异较小,在阿柔站RMSE为3.7 K(日)/1.4 K(夜),在盈科站RMSE为2.4K(日)/2.0K(夜);与MODIS地表温度产品比较,空间分布呈现出一致性。总之,分组分裂窗算法能较好地用于MTSAT-1R卫星数据进行地表温度反演。     

使用MODIS近红外图像直接计算地表水汽压的研究—以贵州省为例

为提高地形复杂区域地表水汽压的计算精度,同时避免间接法计算需要大气可降水量中间数据,以贵州省为例,研究使用MODIS近红外数据直接估算晴空地表水汽压。构建了指数、多项式、通道值线性组合、集成形式4种直接法模型,并分吸收通道、分遥感值(反射率与辐亮度)建立了24个回归公式,根据计算站的拟合结果筛选了最优的直接法模型,最后对比了直接法和间接法的计算精度。研究结果表明:采用集成第17通道与第2通道反射率比值和高程信息的直接法模型拟合精度最高,决定系数R~2为0.741,剩余标准差(RSE)为1.098 hpa;该直接法的绝对误差、相对误差的均值分别为1.234 hpa和8.2%,均低于间接法的1.806 hpa和12%。     

从SSM/I亮温反演海洋上大气可降水量

利用日本NASDA提供的SSM/I和相应的海岛气象探空资料,对几种有代表性的SSM/I反演大气可降水量算式的反演结果进行了比较分析。结果表明,目前业务反演采用的算式过高地估计了低大气可降水量,而对于高大气可降水量(>4.5g/cm2)又过低地估计了;对反演值进行一个三次多项式订正,从总体上并不改善反演效果。针对以上问题,提出一个改进的混合分段反演算式。     

SMAP卫星海表面亮温仿真及海表面盐度遥感反演

海表面盐度遥感是海洋遥感研究的重要内容之一。针对大气对海表面盐度遥感的影响,根据大气辐射传输理论,对大气影响进行仿真分析及修正,进而通过神经网络模型反演了海表面盐度。研究结果表明:大气对海表面盐度遥感存在一定的影响,需进行校正;当大气温度和压强精度分别达到2℃和10 hPa时,可以去除大气影响;训练样本集选取数量的不同将对神经网络反演精度造成一定的影响;SMAP卫星海表面盐度遥感反演结果相对误差较小,残差基本集中在0.6以内,但在盐度值低于34.4‰的区域误差较大。     

组合导航系统INS/GNSS/SAR及其降阶模型性能的研究

介绍了高阶组合导航系统惯性导航系统 (INS) /全球导航卫星系统 (GNSS) /合成孔径雷达 (SAR)及其降阶模型. 降阶系统的卡尔曼滤波时间大大缩短了, 但其精度并未有大的降低. 仿真结果证明, INS/GNSS/SAR的降阶模型仍可为飞机提供满意的导航精度.     

Landsat-8数据地表温度反演单通道修正算法

Jiménez-Mu1oz提出的陆地表面温度(land surface temperature,LST)反演单通道(single-channel,SC)算法因其需要的大气参数少而被广泛应用,但大气水汽含量较高时,SC算法精度会受到影响。该文针对不同的大气模式建立适应于Landsat-8数据且在大气水汽含量为0~4.5g/cm~3时也有较高精度的单通道修正(singlechannel correction,SCC)算法。在1976美国标准大气、热带大气、中纬度冬季和中纬度夏季4种大气模式条件下,SCC算法平均误差/平均绝对误差分别为0.04/0.55K、0.07/0.25K、0.02/0.51K、-0.08/0.24K。通过参数敏感性分析发现,LST反演误差与地表比辐射率、大气水汽含量呈线性相关。地表比辐射率每改变0.01,SCC算法反演得到的LST在不同大气模式下大约改变0.46K、0.49K、0.46K、0.47K。大气水汽含量每改变0.1g/cm~3,SCC算法反演得到的LST在不同大气模式下大约改变0.41K、0.10K、0.06K、0.06K、0.13K。     

Hyperion高光谱遥感数据大气校正方法

由于受到大气的影响,传感器接收到的辐射信息不能真实地反映地表反射光谱信息,因此,从遥感影像中去除大气的影响,即进行大气校正,是高光谱遥感数据处理中极为重要的环节;通过应用大气校正模块FLAASH,研究选择了合适的大气模式、水汽含量、气溶胶模型、波谱分辨率和多散射模型等参数,对内蒙东胜地区Hyperion高光谱遥感影像进行大气校正;比较了校正前后典型地物的光谱曲线,并将它们与实验室典型地物光谱曲线进行对比,大气校正后得到的光谱曲线和实验室得到的光谱曲线具有较好的一致性,达到了去除大气影响的目的,同时校正生成的水汽分布也表明校正效果良好。     

高光谱图像大气校正自动化与快速处理北大核心CSCD

全谱段宽幅高分辨率推扫式光谱成像仪作为我国新一代航空高光谱成像仪已进入应用校飞阶段,文章针对其TB/日数量级高光谱图像快速处理问题,对大气校正过程的参数自动化设置方法和并行加速方法进行研究。在传统基于辐射传输模型的大气校正基础上,分析了可见近红外和短波红外通道是否波段合并、重合波段优选、大气类型选择、是否水汽反演、水汽吸收波段选择等方面对反射率反演精度的影响,实现了参数优化自动设置,并开发了并行化大气校正算法。以吉林榆树和辽宁辽中的数据进行验证,结果表明,反演反射率与参考真值反射率一致性高,同时处理速度比串行处理大大提高,可为高光谱反射率数据产品的业务化生产提供有力工具。     

大气甲烷探测进展与全球甲烷分布分析

甲烷（CH₄）是大气中具有化学活性和辐射活性的气体。随着人类文明的发展,CH₄的总量一直在增加。工业革命前全球CH₄浓度为700 ppbv,到20世纪90年代它的浓度达到1714 ppbv。研究阐述了CH₄地基探测、空基探测、星基探测及反演算法的发展现状。自1979~1983年Nimbus-7卫星上的SAMS探测仪首次实现对平流层CH₄浓度探测以来,国际上已有许多可探测CH₄的卫星探测仪。随着卫星探测技术的发展及反演算法的改进,卫星传感器反演的CH₄精度逐渐提高。其中天底模式下TROPOMI传感器反演的CH₄浓度与地面站点数据的偏差为14 ppbv（0.8%）;临边/掩星模式下ACE-FTS反演的对流层至平流层下部CH₄廓线精度在10%以内。而后,基于AIRS L3产品分析了300 hPa、150 hPa全球CH₄浓度变化趋势和分布特征, 2010~2020年全球CH₄浓度增长了约50 ppbv,年均增长率约为0.29%;全球CH₄浓度北高南低,高值区分布在大西洋中部、非洲北部、中东地区和中国西部。     

HJ-1A/B星地表反照率生成算法与检验

提出了适合环境与灾害监测预报小卫星-A、B星(简称HJ-1A/B星)CCD相机的大气订正算法,并基于不同地表特性和大气条件下的辐射传输模拟数据,建立HJ-1A/B星的窄波段向宽波段反照率转换的模型.利用多级灰阶靶标实测数据、敦煌检验场实测数据验证了大气订正算法以及转换模型的可靠性和精度,并将HJ-1A/B星影像数据计算的反照率产品与同时相的MODIS反照率产品进行对比分析.结果表明:文章提出的HJ-1A/B星CCD相机大气订正算法可有效校正大气影响;窄波段向宽波段反照率转换模型反演的反照率精度可靠;基于研究成果生成的HJ-1A/B星地表反照率与MODIS反照率产品一致性较好,满足后续遥感数据定量化模型研究的精度需要.     

卫星红外高光谱反演大气水汽含量

利用高光谱大气红外探测仪AIRS模拟及观测数据,发展基于主成分分析技术的多层前馈神经网络反演算法,进行大气中水汽柱总量(IWV)的反演计算、模拟及实测验证。首先,基于全球晴空大气廓线训练样本SeeBorV4.0,利用快速辐射传输模式CRTM进行了辐射传输模拟计算,得到全球高光谱分辨率模拟辐亮度;其次,利用主成分分析技术对模式模拟和AIRS实测高光谱数据进行降维、去噪及去相关处理,并采用多层前向神经网络算法反演大气水汽柱总量;最后,利用数值试验、AIRS实测L1B数据及其水汽产品,对反演算法进行了验证。通过与AIRS官方大气产品的统计分析,本算法反演均方根误差为0.387 g/cm²,最大偏差为0.82 g/cm²,空间分辨率保留了AIRS像素原分辨率(比AIRS官方大气产品高3倍)。     

高分五号高光谱图像自动大气校正方法

高分五号是我国高分辨率对地观测系统重大专项中唯一的高光谱卫星，为有效提高其应用的效能和质量，首先必须对其图像数据进行大气校正。文章提出了一种基于MODTRAN辐射传输模型的高分五号高光谱图像大气校正方法。首先，通过MODTRAN辐射传输模型构建能见度查找表、水汽含量查找表和反射率查找表；其次，分别采用Version 5.2法和大气预处理微分吸收法逐像元反演得到图像能见度和水汽含量；之后，根据反射率查找表逐像元完成高分五号高光谱图像的大气校正，并与FLAASH校正结果进行对比。结果表明，能见度和水汽含量反演效果较好，校正后的光谱曲线与经FLAASH校正的光谱曲线相吻合，3种定量化指标均保持在较高水平，且该方法能够实现高分五号高光谱图像的自动化批量化大气校正，大气校正过程无需其他额外参数，具有一定的应用价值。     

结合光谱响应函数的Landsat-8影像大气校正研究

针对受大气吸收与散射影响,遥感器得到的测量值与目标物的真实值间存在误差,给反演地表反射率/反照率和地表温度等关键参数带来较大误差,影响图像分析精度的问题,该文利用Landsat-8的光谱响应函数,对OLI多光谱数据进行大气辐射校正和反射率反演,对校正前后的地物光谱曲线和归一化植被指数(Normalized Difference Vegtation Index,NDVI)的变化进行了对比。研究表明:OLI大气校正后较好地恢复各类地物光谱的典型特征;大气校正后NDVI增幅明显;类似的基于光谱响应函数的FLAASH大气校正方法可以为其他的高级陆地成像仪等传感器校正提供依据。